陜北黃土區山地棗林土壤水分研究進展

宗巧魚，艾 寧,2,3*，劉長海，2，劉 姣，郝寶寶，張智勇，常海飛，2

(1.延安大學 生命科學學院；2.陜西省紅棗重點實驗室，陜西 延安 716000；3.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

土壤水分是植被生長所需的最基礎條件[1]，它直接影響到植被對地下養分的吸收利用及植被從土層中汲取并用于蒸騰蒸發的水量，同時影響植被產生的生態效益和經濟效益，是陜北黃土區決定植被生產力的主要因素之一[2]。陜北黃土區溝壑縱橫，土壤瘠薄，水土流失嚴重，生態脆弱，土壤干化缺水[3-5]，因此，選擇一種耐旱的經濟樹種具有重要的意義。棗樹(Ziziphusjujua)耐干旱，而且在堿性土壤和酸性土壤上均能良好生長，是陜北黃土區退耕還林的一種重要經濟林木，發展棗林產業改善該區生存環境，同時是提高生活水平的有效措施，即生態和經濟效益顯著。據統計棗樹在陜北地區種植面積已經達到50多萬hm2[6，7]。但陜北黃土區水資源匱乏，水土流失與干旱缺水并存，棗林地存在水分虧缺、土壤干層[8，9]等，歸結為土壤水分與棗樹生長關系的問題，本研究總結近年國內外學者研究成果，對陜北黃土區棗樹生長與土壤水分關系的研究作以系統論述，以期為今后該區域進行山地棗園營造和管理、紅棗生產基地穩定發展提供科技支撐與理論依據。

1 山地棗林土壤水分動態研究

目前，陜北黃土區關于山地棗林土壤水分的動態研究，主要集中在棗林地的蒸騰蒸發耗水[10-13]、棗林地土層內水分動態變化[14-16]及林地水量平衡三個方面的研究[17]。在生態脆弱的陜北黃土區，林地耗水一直以來都是專家學者長期關注和研究的熱點問題，能準確測定植物耗水特征是土壤水分動態研究的關鍵。有相關研究表明在生態農業系統中，植被通過蒸散損耗掉的土壤水分總量超過90%[18]。而常用的蒸散量計算方法有Shuttleworth-Wallace(SW)[19]和Penman-Monteith(PM)[20]等模型，其中SW模型是Shuttleworth等在PM模型基礎上建立了蒸發和蒸騰二源耦合，可以單獨模擬蒸發和蒸騰過程。通過研究比較SW和PM模型在天然林、草地、人工林等植被條件下的精度，發現SW較PM模型模擬蒸散量具有更高的精度[21]。衛新東[10]等通過實驗對SW這一模型精度進行了充分的驗證，發現該模型適用于陜北黃土區山地棗林有關耗水規律的相關研究。魏新光[22]等對不同種植年限下的山地棗林蒸騰耗水特征和蒸騰差異性進行了研究，其中山地棗樹蒸騰特征的研究運用熱擴散式液流探針從2012年5月-2014年10月對其進行了連續的動態觀察及數據測定，結果表明在蒸騰日內山地棗樹呈現出的變化趨勢為單峰，當氣象因子達到閾值上限，棗樹蒸騰不繼續增加而保持基本穩定，從而有效降低蒸騰，實現對土壤水分的保守型利用。魏瑞鋒[23]等研究表明土壤水分條件與植被耗水量呈正相關，棗樹耗水量隨著水分供應量增加而增加；相反減少植被蒸騰蒸發等水分消耗可以通過減少水分供應來實現。所以，在不影響棗樹光合作用的前提下，適當減少對棗樹水分的供應，可以作為提高山地棗樹水分利用效率的方法。王經民[16]等應用Gauss函數與擴張因子b的積數學模型擬合在生長過程中山地棗樹土壤水分的變化，分別定量描述不同林齡棗林地土壤耗水變化曲線，實驗結果為隨樹齡增長擴張因子擴大，兩者具有二次相關性，進一步說明了山地棗林土壤水分消耗的變化規律，即隨著林齡增長而增大。陜北黃土區棗樹林地存在土壤干化缺水等問題，針對這些嚴重的現象，靳姍姍[15]等利用地膜覆蓋、秸稈覆蓋和石子覆蓋等覆蓋措施下定位測定棗樹林地土壤水分數據，通過數據分析不同覆蓋對休眠期內山地棗林土壤水分消耗的影響；實驗結果表明覆蓋是促進休眠期內山地棗樹土壤水分向深層移動的有效途徑，其中地膜覆蓋保墑效果最好。汪星[13]等將0～10 m土層范圍山地密植棗林土壤水分從上到下劃分為穩定層、活躍層以及難恢復層，對陜北黃土區山地棗林的土壤水分變化規律進行研究。研究結果表明山地棗樹土壤水分提升最快的時期和山地棗林土壤水分最低的時期，分別是山地棗樹生長最旺盛的階段和棗樹開始萌芽、休眠結束的階段；即山地棗樹水分消耗與土壤水分提升變化規律相一致，山地棗樹土壤水分含量高低與棗樹耗水規律相反，和降雨量規律一致。研究將土層2 m以下稱為山地棗林土壤水分難恢復層，難恢復層深度取決于棗樹的林齡，棗樹林齡越大其深度越深。為探求山地棗樹耗水特性，有研究者利用光合儀在陜北黃土區做了棗樹生育期的葉片蒸騰研究[24]。研究山地棗樹土壤水分動態變化特征，有利于棗樹可持續生長，進一步使自然補給的土壤水分與棗樹生長過程中消耗的土壤水分達到動態平衡，而棗樹不同土層深度土壤水分的消耗程度與山地棗樹林齡和林分的分布狀況有關[16]。有研究表明[17]陜北山地棗產業區適宜的土壤經濟水勢區間為-68～-84 kPa。高志永[25]等研究表明露水是陜北黃土區棗林的重要水源，是水量平衡中不可缺少的輸入項。

2 山地棗林土壤干層研究

自1999年退耕還林還草工程實施以來，紅棗因為耐旱在陜北地區被廣泛種植和推廣，作為主要的經濟樹種紅棗產業為陜北黃土區農業經濟發展起到了重要作用[26，27]。隨著山地棗林種植面積的不斷增加，雖然棗樹抗旱能力極強，但是山地棗林地不同土層依然會出現不同程度的土壤干層現象[28-30]，棗樹隨著林齡的增長對中深層土壤水分的需求增大，從而陜北黃土區植被出現中深層土壤水分不同程度的虧缺，甚至由于土壤水分的虧缺形成永久性土壤干層[4，5]。由于棗樹林地深層土壤水分的虧缺棗樹的正常生長受到影響；而且深層土壤干化后也不利于植被后續的演替和更新[30]。出現的土壤干層問題是土壤水分虧缺形成的生長問題。土壤干層形成的原因是土壤水分通過植被物理蒸發與蒸騰作用形成的黃土高原特有的土壤水文現象[31]，實質就是林地水分不能通過天然降雨得到有效補充，導致土壤深層的水分長期處于較低水平，進一步導致植被深層的土壤水分虧缺不斷加重。研究者對陜北黃土區土壤干層特征和機理從多種植被不同林齡、不同立地方式、不同土地利用類型下等多個方面進行了研究[4，5，32，33]。眾多學者通過研究都認為陜北黃土區出現的土壤永久性干層對植被的生長產生嚴重的影響[34，35]。王志強[4]、王力[5]等對棗樹林地土壤水分數據進行連續定點觀測，研究發現土壤水分通過地表蒸發損失基本在0～2 m土層深度和當年降雨入滲影響深度相一致，這一深度范圍稱為易恢復層，而降雨入滲很難到達2 m以下的土層，被稱之為永久性土壤干層，因為這個深度土層形干層后，林地很難通過降雨恢復到造林之前的水平。孫波[36]等對棗樹的抗旱性進行研究，研究中把棗樹葉片受到水分脅迫后出現萎蔫癥狀且此癥狀不能隨脅迫解除而恢復時的土壤水分用永久萎蔫系數表示，其中萎蔫系數越高，抗旱性越弱。研究結果表明棗樹是一種十分抗旱的樹種，在陜北黃土區棗樹不會出現干旱致死。汪星[13]等研究發現12 a山地密植棗林土壤干化深度達5.7 m，從而證明山地棗樹林地土壤水分虧缺這一現象在不斷發展，所以研究如何提高棗樹林地的水分利用從而減輕棗林土壤干化對天然降雨少同時缺乏灌溉的陜北黃土區具有十分重要的意義。劉曉麗[28]、辛小桂[37]、馬建鵬[38]等研究表明隨著山地棗林種植年限的增加，棗樹對下層土壤水分利用加劇，年耗水量增大，耗水深度增加，土壤儲水量下降，下層土壤水分虧缺加大，進而導致棗林土壤干層的分布深度增加，土壤干燥化強度也趨于增加。

3 山地棗林土壤水分與根系分布的研究

氣象條件、土壤特性、土地利用類型以及根系分布等因素都直接影響植被土壤水分的垂直變化特征[2，39]，同時土壤水分含量影響植被在土壤剖面上的根系分布[2，40]。植被根系吸水主要消耗降水入滲達到最大深度以下的土壤水分，植被吸取土壤水分空間大小由植被根系的空間分布特征決定，對土壤水分的消耗具有直接作用，所以植被根系分布的最大深度可以作為其消耗土壤水分深度的重要參考指標[41-42]。劉曉麗[28]等對隨林齡的增長山地棗林深層土壤水分消耗的變化規律研究進行研究，研究中棗樹土壤水分消耗的深度用山地棗林細根分布的最大深度計算，結果表明棗樹根系吸收水分順序是先吸收淺層的土壤水分，之后當淺層的水分不能滿足棗樹生長所需的水分即水分供應不足時，根系開始吸收深層土壤水分。棗林在人工水肥管理措施的條件下，根系會形成淺層型的適應模式，在密植環境下，會形成根網型的適應模式，棗樹根系數量表現為隨著土層深度的增加根系數量呈遞減的變化規律，與林齡無關[43]。也有研究表明[44]如果能有效控制植被根系深度，從而棗樹根系在降水入滲的深度范圍內能有效得到補充，那么植被在陜北黃土區就不會形成土壤干層。馬建鵬[38]等研究表明，在棗樹根系層，土壤水分和粉粒含量顯著相關。盧俊寰[45]等研究表明9 a生棗樹在0～9 m根系生物量累積垂直分布符合Y=1-βd模型，7 m以下再無根系分布。李發永[46]、MA[47]等研究表明滴灌可以影響棗樹的根系深度分布，通過實驗發現要達到減少棗樹根系深層耗水量目的，可以通過滴灌水量使棗樹最大根系深度減半，因為滴灌可以抑制山地棗樹根系的生長，主要是抑制根系向深層土壤生長，從而減少深層土壤水分的消耗。劉曉麗[2]等研究也表明滴灌密植可以顯著影響棗林根系分布特征，通過滴灌能使棗林細根最大分布深度減短，使整體棗林根系分布較淺，從而進一步減少對土壤深層水分的消耗。陜北黃土區的植被普遍根系較深，植被根系水分利用方式由根系分布特征決定，分布較深的根系為維持季節性干旱的蒸騰蒸發等耗水，通過吸收深層土壤水分來維持進而深層土壤水分不斷被消耗[48]。相關研究表明[49,50]涌泉根灌灌溉水分可直接送達樹木根系，僅對根部進行灌溉，有效減小了地表蒸發使水分得到高效利用，涌泉根灌可以提高棗樹的產量，其中最佳布置方式是山地棗樹涌泉根灌與灌水量水平。汪勇[51]等研究表明在滴灌條件下施用適量保水劑可以為山地棗樹的生長發育更適宜的水分條件，從而提高土壤水分利用率進一步促進了棗樹的生長發育。有相關研究表明[49]，對山地棗樹生理、生長最有利最適宜的布置方式為每株山地棗樹安裝2個灌水器。何振嘉[52]等通過研究提出在雨水充足時，在果實生長關鍵期不灌或少量補灌，而雨水缺乏時，則需在果實生長關鍵期進行適當灌溉。

4 山地棗林土壤水分與節水型修剪技術的研究

魏新光[11]等在研究表明，在不影響山地棗樹可繼續經營預期產量的基礎上，山地棗樹對樹體蒸騰蒸發等土壤水分的消耗可以通過修剪措施明顯降低。同時有研究表明[11]修剪可以顯著降低山地棗樹果實膨大期和開花坐果期的樹體蒸騰，從而對土壤水分的消耗同時降低。就陜北黃土區大部分山地棗林來說，既缺少有效的灌溉條件同時又缺乏地下水的補給，土壤水分來源只能依靠降雨。所以陜北黃土區在水資源有限的條件下，要將自然降水利用率達到最大，除了要減少地面蒸騰蒸發等，還可以通過節水型修剪來減少樹體對水分的消耗。節水型修剪是一種常用的棗林管理技術[53]，它是結合當地生物氣候條件來確定山地棗樹預期產量從而進行修剪處理，可以將棗林規格控制在合理范圍之內，同時減少棗林的土壤水分過量消耗，實現了陜北黃土區有效水資源的充分利用。節水型修剪以多年平均降雨為控制上限調控棗林蒸散量，通過修剪植被可以減少土壤水分的過度消耗，進一步增加土壤儲水量[11]。汪有科[54]、趙霞[55]、汪景彥[56]、張文飛[57]等在研究表明在降水不足的陜北黃土區，采取節水型修剪這一技術是提高山地棗樹土壤水分利用率，克服棗樹土壤水分虧缺的有效途徑。何婷婷[58]等研究指出不同林齡和不同坡向是影響山地棗樹葉面積指數的重要因素，所以在棗樹的修剪和栽培過程中因根據具體環境而定。山地棗樹蒸騰蒸發消耗于不同修剪強度有關，山地棗樹蒸騰蒸發等對土壤水分的消耗隨著修剪強度加大而減小，從而提高林下土壤水分。汪星[59]、惠倩[60]等用HYDRUS1D模擬節水型修剪下的山地棗林土壤水分動態變化特征，研究結果表明節水型修剪技術能使土壤水分在今后60a保持良好水平，從而證明節水型修剪技術可以改善山地棗林的土壤水分。另有研究表明[61]通過合理的管理，在旱區實施棗樹零灌溉是有可能的。

5 展望

山地棗樹土壤水分研究對當地的植被恢復、生態環境建設以及經濟建設有重要作用。土壤干層現象是陜北地區嚴重的土壤水文生態問題之一，制約著棗林的健康生長及其可持續發展。綜上可知，供給適當且充足的水分不僅可增加棗樹產量，同時也可有效控制棗林地土壤干層現象。在陜北地區合理修剪和關鍵期灌溉結合運用是促進棗樹增產的有效措施。

為明確干旱地區土壤水分與棗樹生長的深層關系，進一步提升棗林經濟效益，下一步需從以下兩個方面展開研究：

(1)當前有關土壤水分短缺對山地棗樹的影響研究主要集中在棗樹受干旱脅迫的某個時期一些生理生化特性，對系列土壤水分梯度下棗樹的生理生態參數響應過程、光合生產力、水分利用效率以及山地棗樹持續干旱條件下光合高效生產的適宜水分條件及其受旱閾值還需更進一步的試驗研究。

(2)盡管壟溝覆膜、補充灌溉棗樹根區等技術在一定程度上減緩了棗樹干旱缺水的狀況，提高了棗樹水分利用率，但準確地評估棗樹是否遭遇水分脅迫這仍然是干旱監測中還沒有解決的關鍵問題之一，所以對陜北地區山地棗樹還需進行干旱監測。